基于湖泊生態系統健康評價方法

張飛珍，孫映宏

(1.杭州市南排工程建設管理處，浙江杭州310020;2.杭州市水文水資源監測總站，浙江杭州310016)

0 引言

生態系統健康是20世紀末提出的新概念，它為生態系統和環境管理設立了新的目標，是生態學和環境管理方面一個正在發展的綜合性研究領域。由于人口增加和工農業生產的發展，人類賴以生存的生態環境日益退化，特別是湖泊水域富營養化問題，已嚴重影響并威脅到社會經濟和人類健康［1］。對湖泊生態系統進行研究，建立湖泊生態系統健康評價體系和指標閾值，不但可以為我國湖泊環境綜合治理提供可操作的依據，而且還有利于湖泊生態系統的可持續性管理和合理利用，實現生態、社會、經濟三方面效益的協調。

1 生態系統健康評價的指標體系

生態系統健康評價指標的選擇和分類及其使用的好壞，直接影響評價和決策的正確性和有效性［2-5］。要使生態系統健康的研究具有實際意義，并能為決策者提供可靠的技術支撐，必須保證生態系統及其環境的有效、可靠、并具有可操作性和廣泛推廣性。

生態系統健康評價的指標體系包括物理化學指標、生態學指標和社會經濟指標三大類。在湖泊生態系統健康評價中，物理化學指標包括水質、大氣狀況、湖水理化性質、水生生物種類和數量等;生態學指標包括營養循環、能量流動及轉換、群落結構、生物多樣性、生態穩定性、恢復能力、調節能力、生態系統服務功能等;社會經濟指標包括人口因素、人類健康因素、區域經濟狀況與可持續性、公眾環境意識和政府決策等。

不同的指標涉及生態系統健康的不同方面。因為湖泊生態系統健康的范圍非常廣泛，所以要掌握湖泊生態系統健康的完整性，必須同時選取多個指標，從多個角度來進行評價指標的選擇。

2 生態系統健康評價方法

評價生態系統健康的方法是非常復雜的，目前對生態系統健康的評價主要集中于生態系統的活力、組織結構、恢復力和擴散力的研究。生態系統健康的主要測量指標及其測量方法見表1。

表1 生態系統健康的各項測量指標

3 湖泊生態系統健康評價方法

3.1 指示物種法

如何選擇指示生物是湖泊生態系統健康評價的關鍵問題。不同的生態學家提出了不同的生態系統健康評價方法。其中，最具代表性的是生物整合性指數(index of biotic integrity，IBI)和生物多樣性指數(diversity index，DI)。

生物整合性指數法是2000年Lyons在研究墨西哥中部湖泊時，用魚類的生物整合性指數作為生態評價指標，評價了各種人類活動和干擾對湖泊生態系統水平的影響，建立了一套可用于評價湖泊退化程度和生態修復狀況的可行性IBI評價指標。這些指標包括:①固有種數量，用以反映在環境加速退化的條件下物種多樣性的喪失;②常見種數量，用以反映中低強度的環境脅迫對常見種的影響;③濱岸區物種數量，用以反映湖泊沿岸帶作為動植物棲息地的條件;④敞水區物種數量，用以反映湖泊敞水區作為動植物棲息地的條件;⑤敏感種數量，是指不能忍受人類影響而滅亡的物種，對環境退化具有早期預警作用;⑥耐受種生物量百分比，多用于評價中高強度的環境脅迫影響;⑦外來種生物量百分比，物種豐度較低的湖泊生態系統易受外來種的影響，在高強度的環境脅迫下，外來種會支配整個生態系統;⑧肉食性動物生物量百分比，在環境脅迫壓力較大時，肉食性動物趨向減少;⑨固有種的最大長度，用以反映過度捕魚和環境脅迫的綜合作用等。

生物多樣性指數是基于水體受到污染后生物群落往往出現種類減少而某些耐污性強的種類數量增加這一原理。Shannon-Weaver生物多樣性指數計算公式為:

式中:Pi為第i種水生生物出現的概率;S為水生生物種群的種類數;P可以用代替，n為第i種水生生物的個體數;Nii為所選用的水生生物類群各個體數之和，計算公式為:

3.2 指標體系法

湖泊生態系統健康評價的指標包括生態系統內部指標和生態系統外部指標。其中生態系統內部指標，包括生態毒理學、流行病學、生態系統熱力學、生態系統醫學等;生態系統外部指標是未來湖泊生態系統健康評價的發展方向，它涉及環境和社會經濟等方面，是以流域可持續發展思想為指導。

Carlson等人根據對湖泊水體中葉綠素與TP、SD、COD、TOC等水質指標之間相關關系的研究，提出了一套營養狀態指數(trophic state index，TSI)的分級指標，可以通過綜合各參數的TSI指數評價結果來判斷湖泊的營養狀態，從而評價湖泊的健康狀況。該方法在計算各個項目指標的得分時多采用線性插值，只能近似的代表其值，而且，各個項目分級指標的確定也存在一些主觀性，不同的湖泊分級指標不盡相同。

目前較為流行的是J?rgensen等人在系統生態學基礎上構建的目標函數Exergy、結構exergy和生態緩沖容量(ecological buffer capacity)等指標構成的指標體系。Exergy為生態系統回復到無生命混沌平衡的無序狀態所能做的功，測量湖泊遠離生態系統熱力平衡狀態的距離計算公式為:

式中:R為氣體常數，T為絕對溫度，Wi為湖泊生態系統第i種有機體或有機物信息含量;Ci為第i種有機體或有機物的含量;n為湖泊所含有機體或有機物種類總數。

Wi值是由某一種生物有機體所含的無重復基因的個數來確定的，不同物種有機體所含的無重復基因數不同，甚至相差很大，見表2。結構exergy為生態系統單位生物量和有機質所蘊含的Exergy，獨立于湖泊生態系統的營養水平，表征湖泊生態系統利用環境資源的能力。結構exergy可由Exergy和總生物量計算為:

式中:Btotal為湖泊生態系統所含的總生物量。

生態緩沖容量指生態系統狀態變量的變化量與其所受外部脅迫的變化量的比值，計算公式為:

式中:c為狀態變量;f為外部脅迫。

4 結語

生態系統健康評價為區域環境評價提供了一種新方法。湖泊作為自然-社會-經濟復合生態系統，跟人們的生產生活密切相關，是生態系統研究的一個重要領域。湖泊生態系統健康評價作為一門交叉學科的評價實踐，不僅包括湖泊內的生態指標，還兼收了物理化學方面的指標，以及社會經濟和人類健康指標。但是，湖泊生態系統健康評價體系還處于實驗和摸索階段，尚未形成一套成熟的方法和評價體系，有待進一步深入研究。

［1］濮培民.健康水生態系統的退化及其修復——理論、技術及應用［J］. 湖泊科學，2001，13(3):193-203.

［2］田志靜，馮民權，南朝.坪上水庫庫區水質預測研究［J］.黑龍江大學工程學報，2011，02(03):138-141.

［3］葉碎高.沿海河道生境特征及植物群落構建研究［J］.黑龍江大學工程學報，2011，02(03):149-154.

［4］任海，鄔建國，彭少麟.生態系統健康的評估［J］.熱帶地理，2000，20(4):310-316.

［5］Alexander A M，List J A，Margolis M，et al.A method for valuing global ecosystem services［J］.Ecological Economics，1998，27:161-170.